Bài 21: ĐIỀU CHẾ KIM LOẠI

B. LỜI GIẢI CHI TIẾT CÁC CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

I. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CƠ BẢN

1. Trình bày cách để:

- từ $CaCO_{3}$ điều chế Ca.

- từ $CuSO_{4}$ điều chế Cu.

Viết phương trình hóa học của phản ứng.

Giải:

a) Điều chế Ca từ $CaCO_{3}$

- Phương trình hóa học của phản ứng:

$CaCO_{3}+2HCl\rightarrow CaCl_{2}+CO_{2}$ + $H_{2}O$

- Cô cạn dung dịch $CaCl_{2}$ rồi điện phân nóng chảy

$CaCl_{2}\overset{dpnc}{\rightarrow}Ca+Cl_{2}$

b) Điều chế Cu từ $CuSO_{4}$

Điện phân dung dịch $CuSO_{4}$ được Cu:

$2CuSO_{4}+2H_{2}O\overset{dpnc}{\rightarrow}2Cu+2H_{2}SO_{4}+O_{2}$

2. Từ $Cu(OH)_{2}$, MgO, $Fe_{2}O_{3}$ hãy điều chế các kim loại tương ứng bằng một phương pháp thích hợp. Viết phương trình hóa học của phản ứng.

Giải:

a) Điều chế Cu từ $Cu(OH)_{2}$

$Cu(OH)_{2}+2HCl\rightarrow CuCl_{2}+2H_{2}O$

$CuCl_{2}\overset{dpdd}{\rightarrow}Cu+Cl_{2}$

Hoặc có thể dùng cách sau:

$Cu(OH)_{2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}CuO+H_{2}O$

$CuO+H_{2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}Cu+H_{2}O$

b) Điều chế Mg từ MgO

$MgO+2HCl\rightarrow MgCl_{2}+H_{2}O$

- Cô cạn dung dịch $MgCl_{2}$, rồi điện phân nóng chảy:

$MgCl_{2}\overset{dpnc}{\rightarrow}Mg+Cl_{2}$

c) Điều chế Fe từ $Fe_{2}O_{3}$:

$Fe_{2}O_{3}+3CO\overset{t^{0}}{\rightarrow}2Fe+3CO_{2}$

3. Một loại quặng sắt chứa 80% $Fe_{2}O_{3}$ và 10% $SiO_{2}$ và một số tạp chất khác không chứa Fe và Si. Hàm lượng các nguyên tố Fe và Si trong quặng này là:

A. 56% Fe và 4,7%Si.

B. 54% Fe và 3,7%Si.

C. 53% Fe và 2,7%Si.

D. 52% Fe và 4,7%Si.

Giải:

Chọn A.

- Khối lượng $Fe_{2}O_{3}$ trong 100g quặng là 80g. Trong 100g quặng có:

$m_{Fe}$ = $\large \frac{80.112}{160}$ = 56g hay %$m_{Fe}$ = 56%

- Khối lượng $SiO_{2}$ trong 100g quặng là 10g. Trong 100g quặng có:

$m_{Si}$ = $\large \frac{10.28}{60}$ = 4,7g hay %$m_{Si}$ = 4,7%.

4. Để khử hoàn toàn 30g hỗn hợp gồm CuO, $Fe_{3}O_{4}$, $Fe_{2}O_{3}$, Fe, MgO cần 5,6 lít khí CO (đktc). Khối lượng chất rắn thu được sau phản ứng là:

A. 28g.

B. 26g.

C. 24g.

D. 22g.

Giải:

Chọn B.

Ta có: $n_{CO}$ = $\large \frac{5,6}{22,4}$ = 0,25 mol

⇒ $n_{O}$ = 0,25 mol và $m_{O}$= 0,25.16 = 4g.

Vậy: Khối lượng chất rắn thu được là: 30–4 = 26g.

5. Điện phân (điện cực trơ) dụng dịch muối sunfat của một kim loại hóa trị II với dòng điện cường độ 3A. Sau 1930 giây điện phân thấy khối lượng catot tăng 1,92g.

a)Viết phương trình hóa học của phản ứng xảy ra tại mỗi điện cực và phương trình hóa học chung của sự điện phân.

b) Xác định tên kim loại.

Giải:

a) Phương trình hóa học xảy ra tại mỗi điện cực

Gọi kim loại hóa trị II là M.

- Phương trình điện phân:

$2MSO_{4}+2H_{2}O\overset{dp}{\rightarrow}2M+O_{2}+2H_{2}SO_{4}$

b) Từ công thức định luật Farađây: m = $\large \frac{AIt}{nF}$

⇒ A = $\large \frac{mFn}{It}$ = $\large \frac{1,92.96500.2}{3.1930}$ = 64

Vậy: M là Cu.

II. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP MỞ RỘNG, NÂNG CAO

1. Phương pháp điều chế kim loại bằng cách dùng đơn chất kim loại có tính khử mạnh hơn để khử ion kim loại khác trong dung dịch muối được gọi là

A.phương pháp nhiệt luyện.

B.phương pháp thủy luyện.

C.phương pháp điện phân.

D.phương pháp thủy phân.

Trả lời:

Chọn B. Phương pháp điều chế kim loại bằng cách dùng đơn chất kim loại có tính khử mạnh hơn để khử ion kim loại khác trong dung dịch muối được gọi là phương pháp thủy luyện.

2. Chất nào sau đây được điều chế trong công nghiệp bằng phương pháp điện phân?

A.Lưu huỳnh.

B.Axit sunfuric.

C.Sắt.

D.Nhôm.

Trả lời:

Chọn D. Trong các chất trên thì nhôm được điều chế trong công nghiệp bằng phương pháp điện phân $Al_{2}O_{3}$ nóng chảy:

$2Al_{2}O_{3}\overset{dpnc}{\rightarrow}4Al+3O_{2}$

3. Điện phân bằng điện cực trơ dung dịch muối sunfat của kim loại hóa trị II với dòng điện cường độ 6A. Sau 29 phút điện phân thấy khối lượng catot tăng 3,45g. Kim loại đó là

A.Zn.

B.Cu.

C.Ni.

D.Sn.

Giải:

Chọn B. Từ công thức của định luật Farađây m = $\large \frac{AIt}{nF}$

⇒ A = $\large \frac{mnF}{It}$ = $\large \frac{3,45.2.96500}{6.29.60}$ $\approx$ 64. Đó là Cu.

4. Điện phân 200ml dung dịch KOH 2M (D = 1,1 g/$cm^{3}$) với điện cực trơ. Khi ở catot thoát ra 2,24 lít khí (đktc) thì ngừng điện phân. Biết rằng nước bay hơi không đáng kể. Dung dịch sau điện phân có nồng độ phần trăm là

A.10,27%.

B.10,18%.

C.10,9%.

D.38,09%.

Giải:

Chọn A.

- Sơ đồ điện phân:

Như vậy, điện phân dung dịch KOH thực chất là điện phân nước và khí thoát ra ở catot là $H_{2}$:

$H_{2}O\rightarrow H_{2}+\frac{1}{2}O_{2}$

- Số mol nước bị điện phân là: $n_{H_{2}O}$ = $n_{H_{2}}$ = $\large \frac{2,24}{22,4}$ = 0,1mol

⇒ $m_{H_{2}O}$ = 0,1.18 = 1,8g.

- Số mol KOH dung dịch là:

$n_{KOH}$ = 0,2.2 = 0,4mol ⇒ $m_{KOH}$ = 0,4.56 = 22,4g.

- Khối lượng dung dịch KOH ban đầu là: $m_{ddKOH}$ = 1,1.200 = 220g

- Khối lượng dung dịch KOH sau thời gian điện phân là:

$m'_{ddKOH}$ = 220 - 1,8 = 218,2g

- Nồng độ phần trăm của dung dịch sau khi điện phân là:

C% = $\large \frac{22,4}{218,2}$.100% = 10,27%.

5. Nêu phương pháp hóa học để điều chế các kim loại từ các dung dịch muối. NaCl, $CuCl_{2}$, $FeCl_{3}$. Viết các phương trình hóa học tương ứng.

Trả lời:

- Điều chế Na từ NaCl:

+ Cô cạn dung dịch NaCl.

+ Điện phân nóng chảy NaCl: $2NaCl\overset{dpnc}{\rightarrow}2Na+Cl_{2}$

- Điều chế Cu từ $CuCl_{2}$: Có thể:

+ Điện phân dung dịch $CuCl_{2}$: $CuCl_{2}\overset{dpdd}{\rightarrow}Cu+Cl_{2}$

+ hoặc: $CuCl_{2}\overset{+NaOH}{\rightarrow}Cu(OH)_{2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}CuO\overset{+H_{2},t^{0}}{\rightarrow}Cu$

- Điều chế Fe từ $FeCl_{3}$: Theo sơ đồ:

$FeCl_{3}\overset{+NaOH}{\rightarrow}Fe(OH)_{3}\overset{t^{0}}{\rightarrow}Fe_{2}O_{3}\overset{+CO,t^{0}}{\rightarrow}Fe$

6. Nêu phương pháp hóa học để điều chế các kim loại từ các dung dịch muối Ca, Na và Cu từ những muối riêng biệt: $CaCO_{3}$, $Na_{2}SO_{4}$ và $Cu_{2}S$. Viết các phương trình hóa học tương ứng.

Trả lời:

- Điều chế Ca từ $CaCO_{3}$:

$CaCO_{3}+2HCl\rightarrow CaCl_{2}+H_{2}O+CO_{2}$

$CaCl_{2}\overset{dpnc}{\rightarrow}Ca+Cl_{2}$

- Điều chế Na từ $Na_{2}SO_{4}$:

$Na_{2}SO_{4}+BaCl_{2}\rightarrow 2NaCl+BaSO_{4}$

$2NaCl\overset{dpnc}{\rightarrow}2Na+Cl_{2}$

- Điều chế Cu từ $Cu_{2}S$:

$Cu_{2}S+2O_{2}\rightarrow 2CuO+SO_{2}$

$CuO+H_{2}\rightarrow Cu+H_{2}O$

hoặc $CuO+2HCl\rightarrow CuCl_{2}+H_{2}O$

$CuCl_{2}\overset{dpdd}{\rightarrow}Cu+Cl_{2}$

7. Điện phân dung dịch $AgNO_{3}$ với các điện cực trơ là graphit.

a) Trình bày sơ đồ điện phân và viết phương trình hóa học.

b) Thời gian điện phân là 14 phút 15 giây, cường độ dòng điện không đổi là 0,8A. Tính khối lượng bạc điều chế được.

c) Tính thể tích khí (đktc) thu được ở anot.

Giải:

a) –Sơ đồ điện phân:

- Phương trình hóa học của sự điện phân:

$4AgNO_{3}+2H_{2}O\overset{dp}{\rightarrow}4Ag+O_{2}+4HNO_{3}$

b) Khối lượng Ag điều chế được là:

$m_{Ag}$ = $\large \frac{AIt}{nF}$ = $\large \frac{108.0,8.855}{1.96500}$ = 0,765g

c) Khí thu được ở anot là oxi, với:

$n_{O_{2}}$ = $\large \frac{1}{4}$$n_{Ag}$ = $\large \frac{1}{4}$.$\large \frac{0,765}{108}$ = 0,00177mol

⇒ $V_{O_{2}}$ = 0,00177.22,4 = 0,0396 lít = 39,6ml.

8. Điện phân dung dịch $CuSO_{4}$ với các điện cực trơ bằng graphit.

a) Viết các phản ứng xảy ra ở các điện cực.

b) Điện phân dung dịch trên với thời gian 1 giờ, cường độ dòng điện không đổi là 0,16A. Tính khối lượng Cu điều chế được.

c) Dung dịch $CuSO_{4}$ trước khi điện phân có thể tích 100ml, nồng độ 0,5M. Tính số mol các ion có trong dung dịch trước khi điện phân.

d) Tính nồng độ mol các ion có trong dung dịch sau điện phân. Coi thể tích của dung dịch điện phân thay đổi không đáng kể.

Giải:

a) Các phản ứng xảy ra ở các điện cực:

b) Khối lượng Cu điều chế được:

-Theo định luật Farađây, ta có: $m_{Cu}$ = $\large \frac{AIt}{nF}$

Với A = 64; I = 0,16A; t = 1h = 3600s; n = 2; F = 96500 nên:

$m_{Cu}$ = $\large \frac{64.0,16.3600}{2.96500}$ = 0,19g

c) Số mol các ion trong dung dịch trước khi điện phân:

$n_{Cu^{2+}}$ = $n_{SO_{4}^{2-}}$ = $n_{CuSO_{4}}$ = 0,05mol

d) Nồng độ mol các ion sau khi điện phân:

- Phương trình hóa học điện phân dung dịch $CuSO_{4}$:

$2CuSO_{4}+2H_{2}O\overset{dp}{\rightarrow}2Cu+O_{2}+2H_{2}SO_{4}$

- Ta có: $n_{CuSO_{4}(dp)}$ = $n_{H_{2}SO_{4}}$ = $n_{Cu}$ = $\large \frac{0,19}{64}$ = 0,003mol

- Số mol $CuSO_{4}$ dư sau điện phân:

$n_{CuSO_{4}(du)}$ = 0,05 - 0,003 = 0,047mol

- Nồng độ mol của các ion trong dung dịch điện phân là:

$C_{M}(H^{+})$ = $\large \frac{1000.0,006}{100}$ = 0,06M

$C_{M}(Cu^{2+})$ = $\large \frac{1000.0,047}{100}$ = 0,47M

$C_{M}(SO_{4}^{2-})$ = $\large \frac{1000.(0,047+0,003)}{100}$ = 0,5M.